非稳态浇铸条件下连铸板坯质量控制研究

论文摘要

开浇、变拉速、终浇等非稳态条件下钢水浇注条件恶化,已成为当前连铸质量控制的重点。本文以高拉速连铸机为对象,对稳态与非稳态条件下铸坯存在的质量问题进行提炼筛选确定了重点研究的专题内容,分析了产生质量问题的根源。利用数学模型和水模拟等方法对中间包和结晶器冶金过程进行了研究,寻求解决问题的办法；采用低倍、定量金相等手段对工艺优化前后不同条件的试样进行了分析评估。对解决方案可行性与有效性进行现场试验分析验证,最终形成适合实际状况的技术措施。现场试验表明,研究形成的控制工艺对改善稳态与非稳态条件产品质量有明显成效,为提升产品整体质量创造了条件。主要研究内容及所取得的主要进展如下：1现场调研及板坯质量现状调查与成因分析研究（1）取样分析15种工况条件铸坯,皮下全氧低于27ppm；金相样统计表明,夹杂物为主要为球状小于50μm的Al2O3或铝酸盐夹杂,钢水可浇性和洁净度有待提高。（2）稳态条件,吹氩是铸坯气孔主要成因,随吹氩量增大,缺陷加剧。铸坯气孔主要分布在窄面,水口插入深度影响中小颗粒夹杂物,气体和夹杂物随水口插入深度增加而增加。（3）非稳态条件,开浇、浇注末期、拉速变化等对铸坯质量影响很大,夹杂物数量是正常浇注2-6倍；而换大包、换水口以及水口结瘤对铸坯质量影响小。2中间包流场控制的物理模拟研究（1）开浇时,注流状态对吸气量有很大影响,湍流吸气明显高于层流。（2）换钢包时,液位越高越利于夹杂物去除；注入速度增加也有利于夹杂物去除,拉速越大越不利。（3）拉速对漩涡卷渣临界高度的影响规律：拉速提高,漩涡卷渣的临界高度由大逐渐减小后再增大,当拉速为1.4m/min时弱漩涡临界高度最低；应选取合适渣层厚度,40mm可以视为“危险厚度”；随覆盖剂粘度增加临界高度呈先增后减；用塞棒控流有助于控制漩涡卷渣。（4）异钢种连浇时,应选成分相近或有交叉钢种进行连浇；低碳到高碳的连浇过程中过渡时间短,混浇坯量较少；拉速增大,混浇坯长度增加。3结晶器流动控制的物理模拟研究（1）小断面,影响卷渣因素是拉速,其次是吹气量,插入深度影响较小。影响液面波动及窄边气泡最大因素是拉速,其次插入深度,吹气量影响小；大断面,影响卷渣、液渣分布及窄边气泡最大因素是拉速,其次吹气量,插入深度影响小；综合来看,拉速影响结晶器内流场远大于其他因素。（2）卷渣次数和液渣层厚度之差,是随拉速提高而增加,随插入深度增加而减少,随吹气量增加而增加。（3）结晶器水口对中不良,造成卷渣、液渣分布不均,其严重程度随偏离度增大而增强。水口堵塞时,出水口被堵塞一侧卷渣可能性减小,另一侧剪切卷渣可能性增加；当水口一侧堵塞面积达水孔面积40%时,另一侧会发生严重钢渣混卷现象,窄边会大面积裸露。（4）水口结瘤物脱落,在拉速从1.6 m·min-1到2.0 m·min-1范围内,不同体积结瘤物被凝固坯壳捕获总概率可达20.4%；随结瘤物尺寸减小和拉速增加,结瘤物被捕获概率增大。（5）升降拉速过程中,随加速度增大,卷渣现象和液渣层分布不均匀程度增加；液渣粘度变大,发生卷渣可能性减小,液渣层分布不均程度减弱。（6）水口结构尺寸优化。当断面210×1300mm2,拉速大于1.8m·min-1,液面卷渣和裸露现象明显；优化的水口适应浇注流量的范围浇注断面为210×1300mm2时,对应拉速范围1.2m·min-1-2.0 m·min-1。4结晶器流场数值模拟研究（1）大断面条件下,拉速达到2.0m/min时,计算得出的液面中心线最大流速高达0.553m／s,高于结晶器卷渣控制所要求小于0.3m／s值。（2）比较粒径为300μm和2.5mm的气泡在结晶器内的分布,发现300μm气泡更易到达窄边而被坯壳捕获,形成皮下气孔几率大。（3）电磁制动大大抑制了钢液出流速度,减少对凝固坯壳冲击,减少上部回流区,抑制液面扰动；无电磁制动条件下,当拉速大于1.8m/min时,液渣层边部出现裸露,漏钢几率增大。（4）水口不对中,易造成流场不对称程度增加,液面流速不均,以及液面漩涡,使保护渣液渣更易卷入钢液中。5现场试验与应用研究及效果（1）板坯侧边气孔是由结晶器吹氩过大造成,从现场试验结果来看,吹氩工艺改进后,铸坯中针状气孔比原有工艺降低了61.8%,质量明显改观。（2）提出合理的水口结构与尺寸,开浇、终浇时采用塞棒有助于控制卷渣。（3）进行多次现场试验与取样分析,提出了非稳态铸坯质量在长度方向上的影响范围,从而优化了非稳态条件下的板坯切割。（4）建立了不同拉速、断面条件下合理吹氩工艺与控制标准,并已被纳入操作控制标准与规程而得到现场应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 板坯连铸技术的发展现状
• 1.1.1 板坯连铸的发展
• 1.1.2 板坯连铸工艺流程
• 1.1.3 非稳态浇注与连铸板坯质量
• 1.1.4 连铸板坯质量控制关键技术
• 1.1.4.1 表面质量控制技术
• 1.1.4.2 内部质量控制技术
• 1.2 中间包冶金
• 1.2.1 中间包内钢液流动状态与夹杂物去除
• 1.2.2 改善中间包钢液流动状态的措施
• 1.2.2.1 中间包外形结构
• 1.2.2.2 中间包内质量控制装置
• 1.2.3 中包非稳态浇铸前人研究工作
• 1.2.3.1 中间包开浇换包
• 1.2.3.2 终浇防卷渣技术
• 1.3 结晶器的冶金作用
• 1.3.1 结晶器的流场特征
• 1.3.1.1 结晶器流场的基本特征
• 1.3.1.2 结晶器流场中的偏流及振荡
• 1.3.2 结晶器内卷渣行为的前人工作
• 1.3.2.1 结晶器内卷渣对铸坯质量影响
• 1.3.2.2 结晶器内卷渣机理研究
• 1.3.2.3 结晶器内钢液卷渣的影响因素
• 1.3.3 结晶器内吹氩工艺的研究
• 1.3.4 结晶器内浸入式水口研究的前人工作
• 1.4 本文研究的目的意义及主要研究内容
• 第2章 板坯质量现状现场调研与分析
• 2.1 中间包参数及浇注工艺
• 2.1.1 中间包尺寸形状
• 2.1.2 中间包浇注工艺
• 2.2 结晶器基本参数
• 2.2.1 结晶器电磁制动
• 2.2.2 结晶器吹气方式
• 2.2.3 浸入式水口及水口堵塞
• 2.2.4 不同操作条件下拉速变化方式
• 2.2.4.1 连铸机基准拉速
• 2.2.4.2 开浇、快换中包或水口拉速设定
• 2.2.5 结晶器保护渣厚度
• 2.2.5.1 结晶器液渣层厚度检测
• 2.2.5.2 液渣层厚度测试分析
• 2.2.5.3 液渣层分布情况
• 2.3 板坯质量现状调查研究
• 2.3.1 现场取样
• 2.3.2 金相分析
• 2.3.3 结果分析
• 2.3.3.1 开浇头坯
• 2.3.3.2 换大包后开浇过程
• 2.3.3.3 换浸入式水口
• 2.3.3.4 水口结瘤、偏流
• 2.3.3.5 塞棒不同吹气量
• 2.3.3.6 不同拉速
• 2.3.3.7 水口不同插入深度
• 2.3.3.8 浇注过程变拉速
• 2.3.3.9 浇注末期
• 2.3.3.10 铸坯全氧分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 非稳态浇注连铸中间包过程物理模拟研究
• 3.1 实验原理
• 3.1.1 物理模型中有关参数的确定
• 3.1.2 渣-金界面的相似条件的确定
• 3.2 实验方法
• 3.3 实验方案
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 过程模拟实验方案
• 3.4 实验结果与分析
• 3.4.1 开浇
• 3.4.1.1 液面高度对吸气量的影响
• 3.4.1.2 钢包注入速度对吸气量影响
• 3.4.1.3 长水口注流状态对吸气量的影响
• 3.4.2 换钢包操作
• 3.4.2.1 中间包液位对夹杂物去除率的影响
• 3.4.2.2 注入速度对夹杂物去除率的影响
• 3.4.2.3 拉速对夹杂物去除率的影响
• 3.4.2.4 不同控流装置对夹杂物去除率的影响
• 3.4.3 异钢种连浇
• 3.4.3.1 换包时中间包残余液位高度的影响
• 3.4.3.2 钢包注入速度的影响
• 3.4.3.3 钢中含碳量的影响
• 3.4.3.4 中间包内控流装置的影响
• 3.4.3.5 不同钢种浇铸先后顺序的影响
• 3.4.3.6 拉速的影响
• 3.4.4 漩涡卷渣实验结果与分析
• 3.4.4.1 上水口直径对漩涡临界高度的影响
• 3.4.4.2 拉速对临界高度的影响
• 3.4.4.3 渣层厚度对临界高度的影响
• 3.4.4.4 渣黏度对临界高度的影响
• 3.4.4.5 不同控流方式对临界高度的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 连铸结晶器内钢液流动与钢渣界面行为的物理模拟研究
• 4.1 结晶器物理模型
• 4.1.1 实验模型
• 4.1.2 实验装置
• 4.1.3 实验参数
• 4.2 实验方案
• 4.2.1 正交实验方案
• 4.2.2 单因素实验方案
• 4.3 实验指标的确定
• 4.3.1 卷渣次数
• 4.3.2 液面波动
• 4.3.3 液渣分布的均匀性
• 4.3.4 气泡的大小及分布
• 4.3.5 冲击深度
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 正交实验结果分析
• 4.4.1.1 小断面
• 4.4.1.2 大断面
• 4.4.1.3 两种断面的对比分析
• 4.4.2 单因素实验结果分析
• 4.4.2.1 液面卷渣
• 4.4.2.2 液面波动
• 4.4.2.3 液渣层均匀性
• 4.4.2.4 气泡大小及分布
• 4.4.2.5 冲击深度的分析
• 4.4.2.6 流场情况分析
• 4.4.2.7 吹气量的优化
• 4.4.3 结晶器偏流的实验结果分析
• 4.4.3.1 水口不对中的实验结果分析
• 4.4.3.2 水口结瘤的实验结果分析
• 4.4.4 水口结瘤物脱落实验的结果分析
• 4.4.5 变拉速实验结果分析
• 4.4.5.1 升拉速
• 4.4.5.2 降拉速
• 4.4.6 液渣分布的进一步分析
• 4.4.6.1 不同粘度液渣模拟实验结果分析
• 4.4.6.2 实际中和实验中液渣厚度的对比分析
• 4.4.7 高拉速条件下水口优化
• 4.5 本章小结
• 第5章 连铸结晶器钢液流动及多相流行为数值模拟研究
• 5.1 结晶器流动及多相流数学模型
• 5.1.1 基本假设
• 5.1.2 控制方程
• 5.1.2.1 流体流动模型
• 5.1.2.2 气泡夹杂物运动轨迹模型
• 5.1.3 边界条件设置
• 5.1.3.1 水口入口处
• 5.1.3.2 计算模型对称面和出口处
• 5.1.3.3 结晶器液面
• 5.1.3.4 结晶器壁面
• 5.1.4 结晶器计算区域的建立
• 5.2 计算结果与分析
• 5.2.1 数学模型的验证
• 5.2.2 不同生产条件下结晶器内流场分析
• 5.2.2.1 不同断面对结晶器流场的影响
• 5.2.2.2 拉速对结晶器流场的影响
• 5.2.2.3 浸入式水口插入深度对结晶器流场的影响
• 5.2.3 结晶器内多相流行为
• 5.2.4 结晶器内偏流现象
• 5.2.4.1 水口不对中对结晶器流场的影响
• 5.2.4.2 水口结瘤对结晶器内流场的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 现场试验与应用研究
• 6.1 试验基础
• 6.2 现场试验方案的制定
• 6.3 现场采样记录
• 6.4 试验结果分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读学位期间获得成果
• 论文包含图、表、公式及文献